Radiazione elettromagnetica: definizione, tipologie, caratteristiche. Onde elettromagnetiche
Nel 1860-1865 uno dei più grandi fisici del 19° secolo James Impiegato Maxwell creato una teoria campo elettromagnetico. Secondo Maxwell, il fenomeno dell'induzione elettromagnetica è spiegato come segue. Se in un certo punto dello spazio il campo magnetico cambia nel tempo, lì si forma anche un campo elettrico. Se nel campo è presente un conduttore chiuso, il campo elettrico provoca al suo interno una corrente indotta. Dalla teoria di Maxwell segue che è possibile anche il processo inverso. Se in una certa regione dello spazio il campo elettrico cambia nel tempo, lì si forma anche un campo magnetico.
Pertanto, qualsiasi cambiamento nel campo magnetico nel tempo dà origine a un campo elettrico variabile, e qualsiasi cambiamento nel campo elettrico nel tempo dà origine a un campo magnetico variabile. Questi campi elettrici e magnetici alternati che si generano a vicenda formano un unico campo elettromagnetico.
Proprietà delle onde elettromagnetiche
Il risultato più importante che consegue dalla teoria del campo elettromagnetico formulata da Maxwell è stata la previsione della possibilità dell'esistenza delle onde elettromagnetiche. Onda elettromagnetica- propagazione dei campi elettromagnetici nello spazio e nel tempo.
Le onde elettromagnetiche, a differenza delle onde elastiche (sonore), possono propagarsi nel vuoto o in qualsiasi altra sostanza.
Le onde elettromagnetiche nel vuoto si propagano velocemente c=299 792 km/s, cioè alla velocità della luce.
Nella materia, la velocità di un'onda elettromagnetica è inferiore a quella del vuoto. La relazione tra lunghezza d'onda, sua velocità, periodo e frequenza delle oscillazioni ottenuta per le onde meccaniche vale anche per le onde elettromagnetiche:
Fluttuazioni del vettore di tensione E e vettore di induzione magnetica B si verificano su piani reciprocamente perpendicolari e perpendicolari alla direzione di propagazione delle onde (vettore velocità).
Un’onda elettromagnetica trasferisce energia.
Gamma delle onde elettromagnetiche
Intorno a noi c'è un mondo complesso di onde elettromagnetiche di varie frequenze: radiazioni provenienti da monitor di computer, telefoni cellulari, forni a microonde, televisori, ecc. Attualmente, tutte le onde elettromagnetiche sono divise per lunghezza d'onda in sei gamme principali.
Onde radio- si tratta di onde elettromagnetiche (con una lunghezza d'onda da 10000 m a 0,005 m), utilizzate per trasmettere segnali (informazioni) a distanza senza fili. Nelle comunicazioni radio, le onde radio sono create da correnti ad alta frequenza che fluiscono in un'antenna.
Radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda da 0,005 m a 1 micron, cioè che si trovano tra la gamma delle onde radio e la gamma della luce visibile radiazione infrarossa. La radiazione infrarossa viene emessa da qualsiasi corpo riscaldato. Le fonti di radiazione infrarossa sono stufe, batterie e lampade elettriche a incandescenza. Utilizzando dispositivi speciali, la radiazione infrarossa può essere convertita in luce visibile e si possono ottenere immagini di oggetti riscaldati nella completa oscurità.
A luce visibile comprendono radiazioni con una lunghezza d'onda compresa tra circa 770 nm e 380 nm, dal rosso al viola. L'importanza di questa parte dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche nella vita umana è estremamente grande, poiché una persona riceve quasi tutte le informazioni sul mondo che lo circonda attraverso la visione.
Viene chiamata radiazione elettromagnetica con lunghezza d'onda più corta del viola, invisibile all'occhio radiazione ultravioletta. Può uccidere i batteri patogeni.
Radiazione a raggi X invisibile agli occhi. Passa senza assorbimento significativo attraverso strati significativi di una sostanza opaca alla luce visibile, che viene utilizzata per diagnosticare le malattie degli organi interni.
Radiazione gamma chiamata radiazione elettromagnetica emessa dai nuclei eccitati e derivante dall'interazione delle particelle elementari.
Principio della comunicazione radio
Un circuito oscillatorio viene utilizzato come sorgente di onde elettromagnetiche. Per una radiazione efficace il circuito è “aperto”, cioè creare le condizioni affinché il campo “vada” nello spazio. Questo dispositivo è chiamato circuito oscillante aperto - antenna.
Comunicazione radiofonicaè la trasmissione di informazioni mediante onde elettromagnetiche, le cui frequenze sono nell'intervallo da a Hz.
Radar (radar)
Un dispositivo che trasmette onde ultracorte e le riceve immediatamente. La radiazione viene effettuata in brevi impulsi. Gli impulsi vengono riflessi dagli oggetti, consentendo di stabilire la portata dell'oggetto dopo aver ricevuto ed elaborato il segnale.
Il radar di velocità funziona secondo un principio simile. Pensa a come il radar rileva la velocità di un'auto in movimento.
La radiazione elettromagnetica esiste esattamente finché vive il nostro Universo. Ha svolto un ruolo chiave nell’evoluzione della vita sulla Terra. In realtà questo disturbo è lo stato di un campo elettromagnetico distribuito nello spazio.
Caratteristiche della radiazione elettromagnetica
Qualsiasi onda elettromagnetica viene descritta utilizzando tre caratteristiche.
1. Frequenza.
2. Polarizzazione.
Polarizzazione– uno dei principali attributi dell’onda. Descrive l'anisotropia trasversale delle onde elettromagnetiche. La radiazione è considerata polarizzata quando tutte le oscillazioni delle onde si verificano sullo stesso piano.
Questo fenomeno viene utilizzato attivamente nella pratica. Ad esempio, nei cinema quando si proiettano film in 3D.
Utilizzando la polarizzazione, gli occhiali IMAX separano l'immagine destinata a occhi diversi. 
Frequenza– il numero di creste d'onda che passano davanti all'osservatore (in questo caso il rilevatore) in un secondo. Si misura in hertz.
Lunghezza d'onda– una distanza specifica tra i punti più vicini di radiazione elettromagnetica, le cui oscillazioni si verificano nella stessa fase.
La radiazione elettromagnetica può propagarsi in quasi tutti i mezzi: dalla materia densa al vuoto.
La velocità di propagazione nel vuoto è di 300mila km al secondo.
Per un video interessante sulla natura e le proprietà delle onde EM, guarda il video qui sotto:
Tipi di onde elettromagnetiche
Tutta la radiazione elettromagnetica è divisa per frequenza. 
1. Onde radio. Ci sono corti, ultracorti, extralunghi, lunghi, medi.
La lunghezza delle onde radio varia da 10 km a 1 mm e da 30 kHz a 300 GHz.
Le loro fonti possono essere sia l'attività umana che vari fenomeni atmosferici naturali.
2. . La lunghezza d'onda varia da 1 mm a 780 nm e può raggiungere fino a 429 THz. La radiazione infrarossa è anche chiamata radiazione termica. La base di tutta la vita sul nostro pianeta.
3. Luce visibile. Lunghezza 400 - 760/780 nm. Di conseguenza, oscilla tra 790-385 THz. Ciò include l'intero spettro di radiazioni che può essere visto dall'occhio umano.
4. . La lunghezza d'onda è più corta di quella della radiazione infrarossa.
Può raggiungere fino a 10 nm. tali onde sono molto grandi - circa 3x10^16 Hz.
5. Raggi X. le onde sono 6x10^19 Hz e la lunghezza è di circa 10 nm - 17:00.
6. Onde gamma. Ciò include qualsiasi radiazione che sia maggiore dei raggi X e la lunghezza sia inferiore. La fonte di tali onde elettromagnetiche sono i processi cosmici e nucleari.
Ambito di applicazione
A partire dalla fine del 19° secolo, ogni progresso umano è stato associato all’uso pratico delle onde elettromagnetiche.
La prima cosa da menzionare è la comunicazione radio. Ha dato alle persone l'opportunità di comunicare, anche se erano lontane l'una dall'altra.
La radiodiffusione e le telecomunicazioni via satellite rappresentano un ulteriore sviluppo delle comunicazioni radio primitive.
Sono queste tecnologie che hanno plasmato l'immagine informatica della società moderna.
Le fonti di radiazione elettromagnetica dovrebbero essere considerate sia i grandi impianti industriali che le varie linee elettriche.
Le onde elettromagnetiche vengono utilizzate attivamente negli affari militari (radar, dispositivi elettrici complessi). Inoltre, la medicina non potrebbe fare a meno del loro uso. La radiazione infrarossa può essere utilizzata per trattare molte malattie.
I raggi X aiutano a determinare i danni ai tessuti interni di una persona.
I laser vengono utilizzati per eseguire una serie di operazioni che richiedono precisione millimetrica. 
L'importanza delle radiazioni elettromagnetiche nella vita pratica umana è difficile da sopravvalutare.
Video sovietico sul campo elettromagnetico:
Possibile impatto negativo sull'uomo
Sebbene utili, forti fonti di radiazioni elettromagnetiche possono causare sintomi come:
Fatica;
Mal di testa;
Nausea.
L'eccessiva esposizione a determinati tipi di onde provoca danni agli organi interni, al sistema nervoso centrale e al cervello. I cambiamenti nella psiche umana sono possibili.
Un video interessante sull'effetto delle onde EM sugli esseri umani:
Per evitare tali conseguenze, quasi tutti i paesi del mondo dispongono di standard che regolano la sicurezza elettromagnetica. Ogni tipo di radiazione ha i propri documenti normativi (standard igienici, standard di radioprotezione). L’effetto delle onde elettromagnetiche sugli esseri umani non è stato completamente studiato, quindi l’OMS raccomanda di minimizzarne l’esposizione.
Le onde elettromagnetiche (la cui tabella verrà riportata di seguito) sono perturbazioni dei campi magnetici ed elettrici distribuiti nello spazio. Ne esistono diversi tipi. La fisica studia questi disturbi. Le onde elettromagnetiche si formano perché un campo elettrico alternato genera un campo magnetico, che a sua volta ne genera uno elettrico.
Storia della ricerca
Le prime teorie, che possono essere considerate le versioni più antiche delle ipotesi sulle onde elettromagnetiche, risalgono almeno ai tempi di Huygens. Durante questo periodo, le ipotesi hanno raggiunto uno sviluppo quantitativo pronunciato. Huygens nel 1678 pubblicò una sorta di "schizzo" della teoria: il "Trattato sulla luce". Nel 1690 pubblicò un'altra opera notevole. Ha delineato la teoria qualitativa della riflessione e rifrazione nella forma in cui è presentata ancora oggi nei libri di testo scolastici (“Onde elettromagnetiche”, 9a elementare).
Allo stesso tempo fu formulato il principio di Huygens. Con il suo aiuto è diventato possibile studiare il movimento del fronte d'onda. Questo principio trovò successivamente il suo sviluppo nelle opere di Fresnel. Il principio di Huygens-Fresnel ebbe particolare importanza nella teoria della diffrazione e nella teoria ondulatoria della luce.
Negli anni Sessanta e Settanta del Seicento, Hooke e Newton diedero importanti contributi sperimentali e teorici alla ricerca. Chi ha scoperto le onde elettromagnetiche? Chi ha condotto gli esperimenti per dimostrare la loro esistenza? Quali tipi di onde elettromagnetiche esistono? Ne parleremo più avanti.
La logica di Maxwell
Prima di parlare di chi scoprì le onde elettromagnetiche, va detto che il primo scienziato che in generale ne predisse l'esistenza fu Faraday. Avanzò la sua ipotesi nel 1832. Maxwell successivamente lavorò alla costruzione della teoria. Nel 1865 completò questo lavoro. Di conseguenza, Maxwell formulò rigorosamente matematicamente la teoria, giustificando l'esistenza dei fenomeni in questione. Determinò inoltre la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, che coincideva con il valore della velocità della luce allora utilizzato. Ciò, a sua volta, gli ha permesso di corroborare l'ipotesi che la luce sia uno dei tipi di radiazione in esame.
Rilevazione sperimentale
La teoria di Maxwell fu confermata dagli esperimenti di Hertz nel 1888. Va detto qui che il fisico tedesco condusse i suoi esperimenti per confutare la teoria, nonostante la sua giustificazione matematica. Tuttavia, grazie ai suoi esperimenti, Hertz fu il primo a scoprire praticamente le onde elettromagnetiche. Inoltre, durante i suoi esperimenti, lo scienziato ha identificato le proprietà e le caratteristiche della radiazione.
Hertz ottenne oscillazioni e onde elettromagnetiche eccitando una serie di impulsi di un flusso rapidamente variabile in un vibratore utilizzando una sorgente ad alta tensione. Le correnti ad alta frequenza possono essere rilevate utilizzando un circuito. Maggiore è la capacità e l'induttanza, maggiore sarà la frequenza di oscillazione. Ma allo stesso tempo una frequenza elevata non garantisce un flusso intenso. Per eseguire i suoi esperimenti, Hertz utilizzò un dispositivo abbastanza semplice, che oggi si chiama “vibratore Hertz”. Il dispositivo è un circuito oscillatorio di tipo aperto.
Schema dell'esperimento di Hertz
La registrazione della radiazione è stata effettuata utilizzando un vibratore ricevente. Questo dispositivo aveva lo stesso design del dispositivo emittente. Sotto l'influenza di un'onda elettromagnetica di un campo elettrico alternato, nel dispositivo ricevente veniva eccitata un'oscillazione di corrente. Se in questo dispositivo la sua frequenza naturale e la frequenza del flusso coincidevano, appariva la risonanza. Di conseguenza, i disturbi nel dispositivo ricevente si sono verificati con maggiore ampiezza. Il ricercatore li ha scoperti osservando le scintille tra i conduttori in un piccolo spazio.
Pertanto, Hertz fu il primo a scoprire le onde elettromagnetiche e a dimostrare la loro capacità di essere riflesse bene dai conduttori. Ha praticamente dimostrato la formazione di radiazioni stazionarie. Inoltre, Hertz determinò la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nell'aria.
Studio delle caratteristiche
Le onde elettromagnetiche si propagano in quasi tutti i mezzi. In uno spazio pieno di materia, la radiazione in alcuni casi può essere distribuita abbastanza bene. Ma allo stesso tempo cambiano leggermente il loro comportamento.
Le onde elettromagnetiche nel vuoto vengono rilevate senza attenuazione. Sono distribuiti su qualsiasi distanza, non importa quanto grande. Le principali caratteristiche delle onde includono polarizzazione, frequenza e lunghezza. Le proprietà sono descritte nel quadro dell'elettrodinamica. Tuttavia, rami più specifici della fisica si occupano delle caratteristiche della radiazione in alcune regioni dello spettro. Questi includono, ad esempio, l'ottica.
Lo studio della radiazione elettromagnetica dura all'estremità spettrale delle onde corte viene effettuato dalla sezione delle alte energie. Tenendo conto delle idee moderne, la dinamica cessa di essere una disciplina indipendente e si combina con un'unica teoria.
Teorie utilizzate nello studio delle proprietà
Oggi esistono vari metodi che facilitano la modellazione e lo studio delle manifestazioni e delle proprietà delle oscillazioni. L'elettrodinamica quantistica è considerata la più fondamentale delle teorie testate e completate. Da esso, attraverso alcune semplificazioni, diviene possibile ricavare i metodi di seguito elencati, che trovano largo impiego in diversi ambiti.
La descrizione della radiazione a frequenza relativamente bassa in un ambiente macroscopico viene effettuata utilizzando l'elettrodinamica classica. Si basa sulle equazioni di Maxwell. Tuttavia, ci sono semplificazioni nelle applicazioni. Lo studio ottico utilizza l'ottica. La teoria ondulatoria viene utilizzata nei casi in cui alcune parti del sistema ottico hanno dimensioni vicine alle lunghezze d'onda. L'ottica quantistica viene utilizzata quando i processi di diffusione e assorbimento dei fotoni sono significativi.
La teoria ottica geometrica è un caso limite in cui la lunghezza d'onda può essere ignorata. Ci sono anche diverse sezioni applicate e fondamentali. Questi includono, ad esempio, l'astrofisica, la biologia della percezione visiva e della fotosintesi e la fotochimica. Come vengono classificate le onde elettromagnetiche? Di seguito viene presentata una tabella che illustra chiaramente la distribuzione in gruppi.
Classificazione
Esistono gamme di frequenza delle onde elettromagnetiche. Non ci sono transizioni nette tra loro; a volte si sovrappongono. I confini tra loro sono abbastanza arbitrari. Dato che il flusso è distribuito in modo continuo, la frequenza è strettamente correlata alla lunghezza. Di seguito sono riportate le gamme delle onde elettromagnetiche.
La radiazione ultracorta è solitamente divisa in micrometro (submillimetro), millimetro, centimetro, decimetro, metro. Se la radiazione elettromagnetica è inferiore a un metro, di solito viene chiamata oscillazione a frequenza ultraelevata (microonde).
Tipi di onde elettromagnetiche
Sopra sono riportate le gamme delle onde elettromagnetiche. Quali tipi di flussi esistono? Il gruppo comprende i raggi gamma e X. Va detto che sia la luce ultravioletta che quella visibile possono ionizzare gli atomi. I confini entro i quali si trovano i flussi di raggi gamma e X sono determinati in modo molto condizionale. Come linea guida generale, sono accettati i limiti di 20 eV - 0,1 MeV. I flussi gamma in senso stretto sono emessi dal nucleo, i flussi di raggi X sono emessi dal guscio atomico dell'elettrone nel processo di espulsione degli elettroni dalle orbite basse. Tuttavia, questa classificazione non è applicabile alle radiazioni forti generate senza la partecipazione di nuclei e atomi.
I flussi di raggi X si formano quando le particelle veloci cariche (protoni, elettroni e altri) rallentano e come risultato di processi che si verificano all'interno dei gusci di elettroni atomici. Le oscillazioni gamma sorgono come risultato di processi all'interno dei nuclei degli atomi e durante la trasformazione delle particelle elementari.
Flussi radiofonici
A causa del grande valore delle lunghezze, queste onde possono essere considerate senza tener conto della struttura atomistica del mezzo. Eccezionalmente agiscono solo i flussi più brevi, che sono adiacenti alla regione dell'infrarosso dello spettro. Nella gamma radio, le proprietà quantistiche delle vibrazioni appaiono piuttosto deboli. Tuttavia, è necessario tenerne conto, ad esempio, quando si analizzano gli standard molecolari di tempo e frequenza durante il raffreddamento delle apparecchiature a una temperatura di diversi Kelvin.
Le proprietà quantistiche vengono prese in considerazione anche quando si descrivono generatori e amplificatori nelle gamme millimetriche e centimetriche. Il flusso radio si forma durante il movimento della corrente alternata attraverso conduttori della frequenza corrispondente. E un'onda elettromagnetica che passa nello spazio eccita l'onda corrispondente. Questa proprietà viene utilizzata nella progettazione di antenne nell'ingegneria radiofonica.
Fili visibili
La radiazione visibile ultravioletta e infrarossa costituisce, nel senso lato del termine, la cosiddetta parte ottica dello spettro. La scelta di quest'area è determinata non solo dalla vicinanza delle zone corrispondenti, ma anche dalla somiglianza degli strumenti utilizzati nella ricerca e sviluppati principalmente durante lo studio della luce visibile. Si tratta in particolare di specchi e lenti per focalizzare la radiazione, reticoli di diffrazione, prismi e altro.
Le frequenze delle onde ottiche sono paragonabili a quelle delle molecole e degli atomi, e le loro lunghezze sono paragonabili alle distanze intermolecolari e alle dimensioni molecolari. Pertanto, in questo ambito diventano significativi i fenomeni causati dalla struttura atomica della materia. Per lo stesso motivo, la luce, oltre alle proprietà ondulatorie, ha anche proprietà quantistiche.
L'emergere dei flussi ottici
La fonte più famosa è il Sole. La superficie della stella (fotosfera) ha una temperatura di 6000° Kelvin ed emette una luce bianca brillante. Il valore più alto dello spettro continuo si trova nella zona “verde” - 550 nm. Qui è anche dove si trova la massima sensibilità visiva. Quando i corpi vengono riscaldati si verificano oscillazioni nel campo ottico. I flussi infrarossi sono quindi chiamati anche flussi termici.
Più il corpo viene riscaldato, più alta è la frequenza, dove si trova il massimo dello spettro. Con un certo aumento della temperatura, si osserva l'incandescenza (bagliore nell'intervallo visibile). In questo caso appare prima il rosso, poi il giallo e così via. La creazione e la registrazione di flussi ottici può avvenire in reazioni biologiche e chimiche, una delle quali viene utilizzata in fotografia. Per la maggior parte delle creature che vivono sulla Terra, la fotosintesi funge da fonte di energia. Questa reazione biologica avviene nelle piante sotto l'influenza della radiazione solare ottica.
Caratteristiche delle onde elettromagnetiche
Le proprietà del mezzo e della sorgente influenzano le caratteristiche dei flussi. Ciò stabilisce in particolare la dipendenza temporale dei campi, che determina il tipo di flusso. Ad esempio, quando cambia la distanza dal vibratore (man mano che aumenta), il raggio di curvatura diventa più grande. Di conseguenza, si forma un'onda elettromagnetica piana. Anche l'interazione con la sostanza avviene in modi diversi.
I processi di assorbimento ed emissione di flussi, di regola, possono essere descritti utilizzando le classiche relazioni elettrodinamiche. Per le onde nella regione ottica e per i raggi duri, la loro natura quantistica dovrebbe essere presa ancora più in considerazione.
Sorgenti in streaming
Nonostante la differenza fisica, ovunque - in una sostanza radioattiva, in un trasmettitore televisivo, in una lampada a incandescenza - le onde elettromagnetiche sono eccitate da cariche elettriche che si muovono con accelerazione. Esistono due tipi principali di fonti: microscopiche e macroscopiche. Nel primo, c'è una brusca transizione delle particelle cariche da un livello all'altro all'interno delle molecole o degli atomi.
Sorgenti microscopiche emettono raggi X, gamma, ultravioletti, infrarossi, visibili e in alcuni casi radiazioni a onde lunghe. Un esempio di quest'ultimo è la riga nello spettro dell'idrogeno, che corrisponde ad una lunghezza d'onda di 21 cm. Questo fenomeno è di particolare importanza in radioastronomia.
Le sorgenti macroscopiche sono emettitori in cui gli elettroni liberi dei conduttori eseguono oscillazioni sincrone periodiche. Negli impianti di questa categoria vengono generati flussi dalla scala millimetrica alla più lunga (nelle linee elettriche).
Struttura e forza dei flussi
Le correnti accelerate e che cambiano periodicamente si influenzano a vicenda con determinate forze. La direzione e la loro grandezza dipendono da fattori quali la dimensione e la configurazione della regione in cui sono contenute le correnti e le cariche, la loro direzione e grandezza relativa. Anche le caratteristiche elettriche di un particolare mezzo, nonché i cambiamenti nella concentrazione delle cariche e nella distribuzione delle correnti di sorgente, hanno un impatto significativo.
A causa della complessità generale dell’enunciazione del problema, è impossibile presentare la legge delle forze sotto forma di un’unica formula. La struttura, chiamata campo elettromagnetico e considerata, se necessario, come un oggetto matematico, è determinata dalla distribuzione delle cariche e delle correnti. A sua volta, viene creato da una determinata fonte tenendo conto delle condizioni al contorno. Le condizioni sono determinate dalla forma della zona di interazione e dalle caratteristiche del materiale. Se parliamo di spazio illimitato, queste circostanze sono integrate. In questi casi la condizione di radiazione agisce come una condizione aggiuntiva speciale. In questo modo è garantita la “correttezza” del comportamento del campo all'infinito.
Cronologia dello studio
Lomonosov in alcune delle sue disposizioni anticipa i singoli postulati della teoria del campo elettromagnetico: il movimento “rotatorio” (rotazionale) delle particelle, la teoria “oscillante” (ondulatoria) della luce, la sua comunanza con la natura dell'elettricità, ecc. i flussi furono scoperti nel 1800 da Herschel (scienziato inglese), e l'anno successivo, 1801, Ritter descrisse l'ultravioletto. La radiazione di portata più breve dell'ultravioletto fu scoperta da Roentgen l'8 novembre 1895. Successivamente ha ricevuto il nome di raggi X.
L'influenza delle onde elettromagnetiche è stata studiata da molti scienziati. Tuttavia, il primo ad esplorare le possibilità dei flussi e la portata della loro applicazione fu Narkevich-Iodko (scienziato bielorusso). Ha studiato le proprietà dei flussi in relazione alla medicina pratica. La radiazione gamma fu scoperta da Paul Willard nel 1900. Nello stesso periodo Planck condusse studi teorici sulle proprietà del corpo nero. Durante lo studio, ha scoperto la natura quantistica del processo. Il suo lavoro segnò l'inizio dello sviluppo. Successivamente furono pubblicati diversi lavori di Planck ed Einstein. La loro ricerca ha portato alla formazione di un concetto come il fotone. Ciò, a sua volta, segnò l'inizio della creazione della teoria quantistica dei flussi elettromagnetici. Il suo sviluppo è continuato nelle opere di importanti figure scientifiche del XX secolo.
Ulteriori ricerche e lavori sulla teoria quantistica della radiazione elettromagnetica e sulla sua interazione con la materia hanno infine portato alla formazione dell'elettrodinamica quantistica nella forma in cui esiste oggi. Tra gli scienziati di spicco che hanno studiato questo problema, si dovrebbero citare, oltre a Einstein e Planck, Bohr, Bose, Dirac, de Broglie, Heisenberg, Tomonaga, Schwinger, Feynman.
Conclusione
L’importanza della fisica nel mondo moderno è piuttosto grande. Quasi tutto ciò che viene utilizzato oggi nella vita umana è apparso grazie all'uso pratico della ricerca di grandi scienziati. La scoperta delle onde elettromagnetiche e il loro studio, in particolare, hanno portato alla creazione di trasmettitori radio convenzionali e successivamente di telefoni cellulari. L'applicazione pratica di tali conoscenze teoriche è di particolare importanza nel campo della medicina, dell'industria e della tecnologia.
Questo uso diffuso è dovuto alla natura quantitativa della scienza. Tutti gli esperimenti fisici si basano su misurazioni, confronto delle proprietà dei fenomeni studiati con gli standard esistenti. È a questo scopo che all'interno della disciplina è stato sviluppato un complesso di strumenti e unità di misura. Numerosi modelli sono comuni a tutti i sistemi materiali esistenti. Ad esempio, le leggi di conservazione dell'energia sono considerate leggi fisiche generali.
La scienza nel suo insieme è definita fondamentale in molti casi. Ciò è dovuto innanzitutto al fatto che altre discipline forniscono descrizioni che, a loro volta, obbediscono alle leggi della fisica. Pertanto, in chimica si studiano gli atomi, le sostanze da essi formate e le trasformazioni. Ma le proprietà chimiche dei corpi sono determinate dalle caratteristiche fisiche delle molecole e degli atomi. Queste proprietà descrivono rami della fisica come l'elettromagnetismo, la termodinamica e altri.
), descrivendo il campo elettromagnetico, ha dimostrato teoricamente che il campo elettromagnetico nel vuoto può esistere in assenza di sorgenti: cariche e correnti. Un campo senza sorgenti ha la forma di onde che si propagano con una velocità finita, che nel vuoto è pari alla velocità della luce: Con= 299792458±1,2 m/s. La coincidenza della velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto con la velocità della luce precedentemente misurata ha permesso a Maxwell di concludere che la luce è un'onda elettromagnetica. Una conclusione simile costituì successivamente la base della teoria elettromagnetica della luce.
Nel 1888, la teoria delle onde elettromagnetiche ricevette conferma sperimentale negli esperimenti di G. Hertz. Utilizzando una sorgente ad alta tensione e vibratori (vedi vibratore Hertz), Hertz è stato in grado di eseguire sottili esperimenti per determinare la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica e la sua lunghezza. È stato confermato sperimentalmente che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è uguale alla velocità della luce, il che ha dimostrato la natura elettromagnetica della luce.
Nel 1864, James Clerk Maxwell predisse la possibilità che esistessero onde elettromagnetiche nello spazio. Ha avanzato questa affermazione sulla base delle conclusioni derivanti dall'analisi di tutti i dati sperimentali allora conosciuti sull'elettricità e sul magnetismo.
Maxwell unificò matematicamente le leggi dell'elettrodinamica, collegando i fenomeni elettrici e magnetici, e così giunse alla conclusione che i campi elettrici e magnetici che cambiano nel tempo si generano a vicenda.
Inizialmente si concentrò sul fatto che il rapporto tra fenomeni magnetici ed elettrici non è simmetrico, e introdusse il termine “campo elettrico a vortice”, offrendo la sua spiegazione davvero nuova del fenomeno dell’induzione elettromagnetica scoperto da Faraday: “ogni cambiamento nel campo magnetico porta alla comparsa nello spazio circostante di un campo elettrico a vortice con linee di forza chiuse.
Secondo Maxwell era vera anche l'affermazione opposta: “un campo elettrico variabile dà origine a un campo magnetico nello spazio circostante”, ma inizialmente questa affermazione rimase solo un'ipotesi.
Maxwell scrisse un sistema di equazioni matematiche che descrivevano in modo coerente le leggi delle mutue trasformazioni dei campi magnetico ed elettrico. Queste equazioni in seguito divennero le equazioni di base dell'elettrodinamica e iniziarono a essere chiamate "equazioni di Maxwell" in onore del grande scienziato che le scrisse; giù. L'ipotesi di Maxwell, basata sulle equazioni scritte, ha avuto diverse conclusioni estremamente importanti per la scienza e la tecnologia, che sono riportate di seguito.
Le onde elettromagnetiche esistono davvero
Nello spazio possono esistere onde elettromagnetiche trasversali che si propagano nel tempo. Il fatto che le onde siano trasversali è indicato dal fatto che i vettori dell'induzione magnetica B e dell'intensità del campo elettrico E sono tra loro perpendicolari e giacciono entrambi su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda elettromagnetica.
La velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche in una sostanza è finita ed è determinata dalle proprietà elettriche e magnetiche della sostanza attraverso la quale l'onda si propaga. La lunghezza dell'onda sinusoidale λ è correlata alla velocità υ con un certo rapporto esatto λ = υ / f e dipende dalla frequenza f delle oscillazioni del campo. La velocità c di un'onda elettromagnetica nel vuoto è una delle costanti fisiche fondamentali: la velocità della luce nel vuoto.
Poiché Maxwell affermò che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica era finita, ciò creò una contraddizione tra la sua ipotesi e la teoria dell'azione a lungo raggio accettata a quel tempo, secondo la quale la velocità di propagazione delle onde dovrebbe essere infinita. La teoria di Maxwell fu quindi chiamata la teoria dell'azione a corto raggio.
In un'onda elettromagnetica, avviene simultaneamente la trasformazione dei campi elettrici e magnetici l'uno nell'altro, quindi le densità volumetriche dell'energia magnetica e dell'energia elettrica sono uguali tra loro. Pertanto, è vero che i moduli dell'intensità del campo elettrico e dell'induzione del campo magnetico sono legati tra loro in ogni punto dello spazio dalla seguente relazione:
Un'onda elettromagnetica, nel processo di propagazione, crea un flusso di energia elettromagnetica e se consideriamo un'area su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, in breve tempo una certa quantità di energia elettromagnetica si sposterà attraverso di esso. La densità del flusso di energia elettromagnetica è la quantità di energia trasferita da un'onda elettromagnetica attraverso la superficie di un'unità di area per unità di tempo. Sostituendo i valori della velocità, nonché dell'energia magnetica ed elettrica, possiamo ottenere un'espressione della densità di flusso in termini di valori di E e B.
Poiché la direzione di propagazione dell'energia delle onde coincide con la direzione della velocità di propagazione delle onde, il flusso di energia che si propaga in un'onda elettromagnetica può essere specificato utilizzando un vettore diretto nello stesso modo della velocità di propagazione delle onde. Questo vettore fu chiamato "vettore di Poynting" - in onore del fisico britannico Henry Poynting, che sviluppò la teoria della propagazione del flusso di energia del campo elettromagnetico nel 1884. La densità del flusso di energia delle onde è misurata in W/mq.
Quando un campo elettrico agisce su una sostanza, in essa compaiono piccole correnti, che rappresentano il movimento ordinato di particelle caricate elettricamente. Queste correnti nel campo magnetico di un'onda elettromagnetica sono soggette all'azione della forza Ampere, che è diretta in profondità nella sostanza. La forza Ampere alla fine genera pressione.
Questo fenomeno fu successivamente, nel 1900, studiato e confermato sperimentalmente dal fisico russo Pyotr Nikolaevich Lebedev, il cui lavoro sperimentale fu molto importante per confermare la teoria dell'elettromagnetismo di Maxwell e la sua accettazione e approvazione in futuro.
Il fatto che un'onda elettromagnetica eserciti una pressione permette di giudicare che il campo elettromagnetico possiede un impulso meccanico, che può essere espresso per unità di volume attraverso la densità volumetrica dell'energia elettromagnetica e la velocità di propagazione dell'onda nel vuoto:
Poiché la quantità di moto è associata al movimento della massa, è possibile introdurre un concetto come massa elettromagnetica, e quindi per un'unità di volume questa relazione (secondo STR) assumerà il carattere di una legge universale della natura, e sarà essere valido per qualsiasi corpo materiale, indipendentemente dalla forma della materia. E il campo elettromagnetico è quindi simile a un corpo materiale: ha energia W, massa m, quantità di moto p e velocità finale di propagazione v. Cioè, il campo elettromagnetico è una delle forme di materia che esiste realmente in natura.
Per la prima volta nel 1888, Heinrich Hertz confermò sperimentalmente la teoria elettromagnetica di Maxwell. Ha dimostrato sperimentalmente la realtà delle onde elettromagnetiche e ne ha studiato le proprietà come la rifrazione e l'assorbimento in vari mezzi, nonché la riflessione delle onde dalle superfici metalliche.
Hertz misurò la lunghezza d'onda e dimostrò che la velocità di propagazione di un'onda elettromagnetica è uguale alla velocità della luce. Il lavoro sperimentale di Hertz fu l'ultimo passo verso il riconoscimento della teoria elettromagnetica di Maxwell. Sette anni dopo, nel 1895, il fisico russo Alexander Stepanovich Popov utilizzò le onde elettromagnetiche per creare comunicazioni wireless.
Nei circuiti CC le cariche si muovono a velocità costante e in questo caso le onde elettromagnetiche non vengono emesse nello spazio. Affinché l'irraggiamento avvenga è necessario utilizzare un'antenna nella quale vengono eccitate correnti alternate, cioè correnti che cambiano rapidamente direzione.
Nella sua forma più semplice, un dipolo elettrico di piccole dimensioni, il cui momento dipolare cambierebbe rapidamente nel tempo, è adatto ad emettere onde elettromagnetiche. È proprio questo tipo di dipolo che oggi viene chiamato “dipolo Hertz”, la cui dimensione è molte volte inferiore alla lunghezza d'onda che emette.
Quando emesso da un dipolo hertziano, il flusso massimo di energia elettromagnetica cade su un piano perpendicolare all'asse del dipolo. Non c'è radiazione di energia elettromagnetica lungo l'asse del dipolo. Negli esperimenti più importanti di Hertz, i dipoli elementari furono usati sia per emettere che per ricevere onde elettromagnetiche, e fu dimostrata l'esistenza delle onde elettromagnetiche.
